CFD学习心得

关于网格的几个误区
尽管当前出现了不少使用无网格方法的FEA及CFD代码，但是网格划分依然是大多数CAE工作者们最重要的工作任务，对于高质量网格生成的重要性怎么强调都不过分。

但是如何生成高质量的或更精细的网格呢？查看网格生成软件所输出的网格质量报告是最基本的方式，使用者还需要对网格是否适用于自己的物理问题做出自己的判断。

不幸的是，使用者对于“好网格”存在很多的误区。

如今已经很难在工程学科中找到关于网格划分方面的课程，数值算法在大多数工程学科中成了选修课程。

因此，新生代CAE使用者对于网格在CAE系统中的工作机理方面的欠缺也不足为怪了。

这里有5个最主要的误区：
误区1：好的网格必须与CAD模型吻合
越来越多的CAE使用者来自于原来的设计人员，他们在CAD方面受到了良好的培训，因此他们倾向于CAE模型体现所有的几何细节特征，他们认为更多的细节意味着计算结果能够更加贴近于真实情况。

然而这种观点是不正确的，好的网格是能够解决物理问题，而不是顺从CAD模型。

CAE仿真的目的是为了获取物理量：应力、应变、位移、速度、压力等。

CAD 模型应当是从物理对象中提取的。

大量与物理问题不相干的或对于仿真模型影响较小的细节特征在建立CAD模型之前就应当进行简化。

因此，了解所仿真的系统中的物理细节是最基本的工作任务。

好的网格应当简化CAD模型并且网格节点是基于物理模型进行布置。

这意味着：只有在充分了解所要仿真的物理系统前提下才可能划分出好的网格。

误区2：好的网格一直都是好的
我们经常看到CAE使用者花费大量的心血在改变网格尺寸、拆解几何及简化几何上，以期能够获得高质量的网格。

他们仔细的检查网格生成软件输出的网格质量报告，这是很有必要的。

但是这事儿做得太过也不一定好，因为好的网格也不一定永远都好，网格的好与坏，还取决于要仿真的物理问题。

例如，你生成了一套非常好的网格，其能够很好的捕捉机翼的绕流，能够很精确的计算各种力。

但是当你将流动攻角从0°调整到45°，试问这网格还是好的网格吗？很可能不是了。

好的网格总是与物理问题相关。

当你改变边界条件、改变载荷、改变分析类型、改变流动条件，好的网格也可能变成坏网格。

误区3：六面体网格总比四面体网格好
很多老的书籍会说六面体（四边形）网格要比四面体（三角形）网格要好，同时告诉你说引入四面体（三角形）网格会造成很大的数值误差。

一些情况下这种观点是正确的，特别是15~20年前。

历史上，人们热衷于六面体网格，主要有以下原因：1）在当时，CFD求解器仅能使用结构网格；2）计算条件不允许使用大量网格，为了节省内存和节省时间；3）非结构网格还不成熟。

在过去的几十年里，大部分商用FEA及CFD求解器技术获得的了极大的发展，对于绝大多数问题，利用六面体网格及四面体网格都能获得相同的计算结果。

当然，四面体网格通常需要更多的计算资源，但是其能在网格生成阶段为使用者节省大量的时间。

对于大多数工程问题，六面体网格在计算精度方面的优势已经不
再存在了。

对于一些特殊的应用场合，如wind Turbine，泵或飞机外流场计算，六面体网格依然是首选的网格类型，主要原因在于：1）工业惯例；2）易于理解的物理情况（大多数使用者都知道应当如何对齐网格；3）对于这类几何模型，存在专用的六面体网格生成工具。

然而，对于大多数FAE及CFD使用者，如果几何模型稍微复杂一点，则需要花费大量的时间在六面体网格生成上，计算结果还不一定更好。

计算所节省的时间相对于网格生成所花费的时间，有时候显得得不偿失。

误区4：自动网格生成（automatic meshing）的方式不可能产生好的网格
当软件提供商在证明他的软件是高端的时候（当然价格通常也是高端的），他通常会告诉你说他们的软件允许手动控制所有的操作参数。

潜在意思就是说只有手动控制才能生成好的网格。

当然，对于销售员来讲，好的网格需要手动控制。

但是对于工程师来说，他们需要理解这是一个误导：好的网格软件应当拥有足够的智能化以分析几何模型：计算曲率、寻找缝隙、寻找小的特征、寻找毛刺边、寻找尖角、拥有智能化的默认设置等…
这些工作都应当是自动网格工具的职责。

对于大多数使用者来讲，软件应当对于输入的几何模型能够获取更多的信息以及更高的精度。

因此，软件应该能够提供更好的设置以获取高质量的网格。

当然，对于长年累月使用相同的几何模型及软件的使用者来说，情况可能有所不同。

这些使用者对于物理模型了解得非常清楚，而网格软件却没办法了解他们的物理问题，因此他们对手动操作的需求更多，而且他们也能更好的驾驭手动操作。

不管怎样，对于网格质量两说，一个好的自动网格软件能够给予无经验的使用者更多的帮助。

手动控制主要是为一些对物理问题非常了解的有经验的使用者提供的。

误区5：好的网格其数量一定特别多
由于HPC资源很容易获取，甚至一些学生都能进行千万级别网格的CFD问题求解，因此在多数CAE使用者眼里，大数量的网格意味着高保真度。

这种看法并不完全正确。

打个比方，在CFD计算中，如果使用者使用标准壁面函数，则所有放置于粘性子层内的网格都会失效，这不仅会浪费大量的计算时间，也有可能会造成非物理解。

特别对于LES模拟，过于西米的网格可能会造成打的误差及非物理解。

精细的网格并不意味着好的网格。

网格划分的目的是为了获取离散位置的物理量。

好的网格是为计算目的服务的网格，因此，当你的计算结果具有以下特征时：1）物理真实；2）对于项目来讲足够精确，则你的网格已经足够好了。

另一个关于此误区的例子在于大多数使用者习惯使用全3D模型。

在他们的眼里，3D全模型是真实的。

然而，当问题对称的时候，使用部分模型将会获得更好的计算结果，因为强制施加了对称约束。

当问题是轴对称的时候，使用2D计算模型往往能够获得比3D全模型更精确的结果。

很多CAE新手没有足够的时间去完全理解仿真系统中的物理模型，因此很难对几何模型进行任何简化。

当前，CAE计算结果依然依赖于网格。

好的网格应当具备以下特征：
1、能够求解所研究的问题
2、具有求解器能够接受的网格质量
3、基于问题简化网格
4、适合项目要求
CFD软件技能的提高：简述
去年出版了一本关于ANSYS CFD 入门的书，里面对CFD操作流程进行了全面描述。

同时采用step by step的方式给出了各个流程中的详细实例。

那是一本关于ANSYS CFD系列软件的操作说明书，同时也是一本关于CFD计算基本流程的说明书。

相对于前者，我更倾向于后者。

只因相对于软件操作来说，了解并入门CFD计算的一般流程似乎更为重要。

不过那仅仅只是一本入门级的书，读者若想要进一步提高自己CFD计算能力，还有较多的工作要做。

基于以上考虑，吾萌生了再写一本续篇的想法，只求在入门的基础上，进一步提高读者的CFD 应用能力。

很多人用了几年的CFD软件，遇到新的问题还是百愁莫展。

关于软件和理论谁更重要的争论已经够多了，这里不再进行讨论，这里只是讨论如何才能提高CFD软件操作的技能。

在前面的很多博文中已经对如何更快的CFD入门进行了讨论，本文简要的分析如何才能在入门的基础上进一步提高软件操作技能。

众所周知，软件操作的熟练程度直接关系着工作效率，虽然说CFD计算模型准备的时间相对于其计算时间来讲几乎可以忽略，但是对于软件操作者来说，能够在软件操作上节省时间无疑也是非常有吸引力的。

这里以CFD计算的三个关键环节，简单的描述如何才能在软件入门的基础上，进一步加强自己的软件操作技能。

简单来讲，利用CFD计算流体流动及传热过程大致可分为三个步骤：前处理、计算求解以及后处理。

其中前处理主要用于计算模型的准备；计算求解主要是软件在做，对于非开源的软件来讲，这部分受制于软件，人工可干预的部分很
少；计算后处理则是将计算结果以图形化的方式呈现,方便计算者对物理现象的理解。

对于计算前处理来说，在了解了计算网格生成的一般过程之后，首先需要了解的是：在特定的环境下如何选择合适的网格类型；如何选择和设置网格参数；对于复杂的几何模型，如何对其进行处理以适合于网格的生成；对于不符合要求的计算网格，如何进行编辑和修改。

对于求解器来说，虽然求解过程可控参数较少，但是对于物理模型的描述，则存在非常多的参数需要使用者关注。

除开那些需要用户的理论背景才能很好确定的参数外，还存在一些影响着计算收敛性或计算精度方面需要考虑的参数。

虽然目前的计算软件中一些默认参数已经能够很好的应付大多数常规的计算问题，但是对于特定的复杂问题，正确的修改这些参数，有时候会极大的提高计算收敛过程以及计算精度。

个人认为，相对于前处理和计算求解来说，计算后处理更加重要。

主要是因为计算后处理直接与设计过程相联系。

当然，要用好后处理，除了需要计算者对问题背景理论有相当的研究之外，还需要有足够的审美观。

前面提过，这里不谈有关理论方面的问题，因为这是每一个计算者都必须不断加强的内功。

这里只说一下后处理者的审美观问题。

我坚持认为：“漂亮的东西不一定是正确的，但是不漂亮的东西一定是错误的”。

甚至将这一理论应用到生活中的方方面面。

因此，如何将后处理数据以最美观的方式展示出来，这的确也需要相当的美学修养。

后续的系列文章将会围绕这三个话题进行展开，详细描述在CFD软件提高过程中需要关注的内容，以期达到软件中级使用者的程度，即达到遇到全新的流动问题，能够提出可行的解决办法。

[系列]CFD软件技能的提高：从前处理软件选择开始
"选择"是一件极为痛苦的事情。

没有选择很痛苦，有很多候选项而不知道如何进行选择似乎更为痛苦。

流体计算前处理似乎就存在这一问题。

广义上的流体计算前处理通常指的是从几何模型的创建到计算模型的生成这一过程。

但是我们更愿意接受将前处理定义为从几何模型的导入到网格生成这一过程。

因为相对于复杂的工程问题，其几何模型往往非常复杂，计算工作者更愿意使用专业的几何建模软件来生成此类几何。

而网格划分之后的计算参数设定，则涉及到众多的行业理论背景，往往将其归结到求解器设定里面。

如果将前处理仅仅限定在几何模型的导入至计算网格的生成的话，那么此过程则可以完全与计算求解分离开，形成相对独立的操作流程。

也是基于这一点，市面上出现了相当多的各种类型的CFD前处理软件。

从这一点出发，任何一款前处理软件其实都可以适用于任何求解器。

再来谈谈固体有限元网格和流体网格的区别。

从本质上来说，它们是没有区别的，都是记录了各节点的坐标值以及节点间的连接关系。

但是由于有限元计算算法与有限体积法（大多数流体求解器采用的算法）的差异，导致了网格划分过程中需要注意的内容不一样，这也导致了一些网格生成软件更偏重于固体计算或流体计算。

那么它们的差异在哪里呢？使用固体有限元计算的筒子可能会听到诸于"一阶单元""二阶单元""高阶单元"之类的概念，如下图所示，左侧为一阶四面体单元，包含四个节点。

右图为二阶四面体单元包含有10个节点。

虽然说节点数量不一样，但是仅仅只是反应在计算求解过程中，而在网格划分过程中则没有任何差异。

对于流体计算网格则没有阶次的概念，可以认为所有的流体计算网格均为一阶网格。

对于固体有限元和流体计算前处理还存在的区别在于：固体有限元计算，在前处理过程中需要指定单元属性、材料类型等等参数。

因此固体前处理过程比流体前处理过程要包含更多的操作。

流体计算前处理仅仅只需要输出网格节点坐标、节点间的连接关系等信息即可，比起固体计算前处理要简单一些。

这也是一些专职流体前处理软件不适合做固体前处理的原因。

当然，流体计算也有其特别的地方，比如说流体计算存在固体计算中所不存在的边界层问题，反映在前处理上则为边界层网格的生成上。

专职的流体前处理软件可能会很方便的生成流体边界层，而固体前处理软件则需要花费更多的时间来处理这部分工作。

边界层网格通常为棱柱层网格，主要是因为边界层范围内需要网格存在较好的正交性，要求近壁面法向方向网格存在较好的正交性，而且由于边界层往往都很薄，所以这类网格通常存在很大的长径比（几十、几百甚至上千）。

对于固体计算来说，大的长径比网格往往是不被允许的，故在固体前处理软件中对这类网格进行检查是，很有可能会被标记为不合格网格。

这也是利用固体前处理软件生成流体网格时需要关注的内容。

另外，在固体有限元计算中常常存在零维、一维、二维网格，比如说集中质量、线网格和板壳网格等，这些网格在流体计算中均不存在。

流体网格中对于无厚度的面，则仅仅只是对网格节点进行标记，而不会直接生成所谓的片体网格。

除了2D计算所用的二维网格外，流体计算使用的是三维网格。

更有一些求解器（如
CFX等）还不支持2D网格计算。

顺便多说一句，就算是2D网格流体计算，求解器也是默认网格存在厚度的。

言归正传，目前流体通用计算前处理软件很多，比如说目前支持ANSYS系列流体计算的ICEM CFD，专职做流体计算网格的PointWise与Gridgen，六面体网格生成软件GridPro，Altair公司的前处理软件Hypermesh，希腊ETA CAE System S.A.公司的ANSA等，这些软件可以说是目前网格生成领域比较流行的工具。

当然这里不去讨论一些软件自带的前处理软件，比如说ANSYS、STAR CCM+、ESI CFD等软件也都带有自己的前处理软件。

一般认为，HyperMesh与ANSA更偏重于固体有限元前处理，但是也能够生成流体计算网格，它们的优势在于面网格的生成。

ICEM CFD、PointWise与Gridpro更偏重于流体前处理，而Pointwise由于Gridpro只能生成流体网格。

ICEM CFD既可以生成流体网格也可以生成固体网格，但更偏重于生成流体网格。

这里简单介绍一下：
HyperMesh：Altair公司的Hypermesh是一款综合的前处理软件，其能够生成有限元计算中所需的所有网格类型。

对于流体计算来说，也能够较为方便的生成边界层网格。

该软件采用几何剖分的方式可以生成全六面体网格。

在Hypermesh中，若要利用软件生成边界层网格，则软件会自动将内部网格转化成四面体非结构网格，或许用户可以精细的调整边上的bias以生成边界层网格，但是个人认为还是比较麻烦的。

当然也许有更加方便的方式我还没有找到。

不过如果用户既做流体计算也做固体计算的话，强烈推荐使用这个。

ANSA：此软件是Hypermesh的直接对手，在汽车领域应用甚广。

所有特性与HM类似。

但是在生成六面体网格方面，除了提供类似HM的几何剖分方式还，
似乎还有基于虚拟block拓扑的方式，个人认为还是比较好用的。

此软件我接触得少，不予评价。

ICEM CFD：这软件是被ANSYS收购的。

起先此软件被收购后主要用于CFX的前处理。

后来ANSYS公司收购了FLUENT，发现GAMBIT虽然功能比较强大，但是界面不怎么美观，毕竟是基于UNIX环境而开发的软件，将其用到Windows 下自然不是那么的顺畅，需要安装Exceed，而且还经常卡顿卡顿的。

在这种情况下，ANSYS就把ICEM CFD推到了前台，该软件也成了ANSYS CFD系列的御用前处理器。

而GAMBIT的命运就比较悲催了，可能会在其功能被Mesh模块完全吸收后消失在人们的视线中。

ICEM CFD的功能强大，可以说是CFD前处理领域顶级软件。

其支持独特的虚拟Block拓扑构建六面体网格方式，也支持非结构网格的自动生成，构建边界层网格也极其方便。

当然现在也有关于ICEM CFD生成非结构网格方面的一些说法，比如说没有size function，这让习惯了GAMBIT的童鞋很难受。

还有就是ICEM CFD生成非结构网格数量超多的问题。

当然这些都不是什么大问题，可以通过软件的操作技能的提高得到弥补。

除了流体外，ICEM CFD其实还支持固体有限元网格的生成。

对于主要从事CFD计算的人们来讲，ICEM CFD可以当做首选的前处理软件。

其支持绝大多数流体计算求解器，更重要的是其能够无缝的支持FLUENT，而FLUENT网格实际上已经相当于流体网格的标准了，绝大多数流体求解器其实也支持输入FLUENT 的msh网格格式。

Pointwise：来自于软件gridgen，据官网介绍，此软件来自于通用公司研究F-16战斗机时所开发。

该软件能够提供对网格的全面控制，因此适合于CFD高级用户。

当然如果是对于CFD新手的话，操作此软件可能会觉得稍显麻烦。

该软件
同时提供了结构昂个与非结构网格生成，能生成极高质量的网格。

但是此软件无法生成固体计算网格。

因此如果是专业的CFD用户，可选择此软件作为前处理器。

由于Gridgen与此软件同出一辙，就不分开讨论了。

GridPro：这软件据说来头也听说，说是专为NASA开发的CFD前处理器。

不过不管其来头有多大，该软件无法生成非结构网格是一大硬伤。

对于异常复杂的工业CFD模型，如果要完全生成结构网格，无疑需要耗费大量的精力，甚至很多时候都是难以做到的。

不过话说回来，该软件生成的结构网格的确是漂亮得让人心醉，对于简单易生成结构网格的几何模型，选择此软件也是不错的选择。

不过工作中如果常常与复杂几何打交道的话，可以说此软件不太适合。

此软件虽然在6.0版本之后对GUI进行了重要改进，不过几何的输入接口仍然还有极大的提升空间。